第三章 钻进工艺(1)

类别 塑性系数 岩石属性
1 1 脆性
表4-9 塑性系数分类表 2 3 4 >1--2 2--3 3--4 塑脆性 低塑性----高塑性
液循环系统有关的参数。
•水力破岩作用， •水力清岩作用。
通过喷嘴形成射流：
因此，合理的泵功率分配、排量和喷嘴直径的 确定，是水力参数的必须解决的计算问题。
第三章
钻进工艺
第一节
钻进过程的系统分析
5、机械参数
钻压、转速：破碎岩石的基本参数。
影响钻进速度
影响钻头的磨损速度和工作寿命
因此，在选择钻压、转速时，必须综合考 虑这两方面的影响，确定合理的配合。
学习曲线
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钻进工艺
第一节
钻进过程的系统分析
二、影响因素
影响系统目标的因素很多，其中直接与 钻进过程有关的主要因素，一般可分为两大 类：
•不可改变的客观因素：地层岩性 •可变因素：钻头类型、钻井液性能、水力
参数和钻压、转速等。
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钻进工艺
第一节
钻进过程的系统分析
1、地层岩性
地层岩性是影响因素中不可改变的客观因素，研
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钻进工艺
第一节
钻进过程的系统分析
失水量小，钻速慢： 钻井液粘度增大。
固相含量大，钻速慢：
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钻进过程的系统分析
含油量影响：
油基钻井液的钻速一般
要比相同密度的水基钻
井液约低20-30％，在一
般的混油钻井液中， 少
量的掺入油会使钻速略
有增加，继续加大含油
量又会使钻速降低。
第三章
输 入
输 出
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钻进工艺
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钻进过程的系统分析
灰化：界于白化与黒化之间。既研究其 内部结构，又研究它的行为规律。这就是 控制论中所谓的“灰色理论”。
输 入
输 出
钻进过程的影响规律采用“灰色理论”
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钻进工艺
第一节
钻进过程的系统分析
对一口井的整个施工过程进行优化处理是钻进工艺追
求的理想目标。
大时：差别显箸
E
岩石在弹性范围内的应力应变简略曲线
1-拉伸情况；2-压缩情况
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钻进工艺
第二节
地层岩性
沉积岩的主要特征是层理。层理对弹性模量及泊松比有 明显的影响。表4-3是几种沉积岩因层理所表现的数据上的差 异，即岩石的各向异性。 表4-3 几种沉积岩的各向异性
岩石名称 粗砂岩 中砂岩 细砂岩 粉砂岩 E104兆帕 ∥ ⊥ 0.93~4.19 1.73~4.54 2.87~4.19 2.68~3.37 2.83~4.95 2.90~4.60 1.01~3.23 0.84~3.05 泊松比
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钻进过程的系统分析
钻井液性能对钻速的影响规律如图
密度影响最大，密度越高钻速越
慢：
“压持效应”；压差增大了岩石强 度使钻速降低；排量降低。
粘度大，钻速慢：
流动摩阻大，钻头水马力相应减少； 环空循环压力增大，相当于增大了
钻井液密度；钻头喷嘴紊流粘度相
应升高，不利于钻头对井底的清洗 和冲击作用。
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第二节
地层岩性
主要表现在两个方面： （1）岩石强度增加。 （2）岩石的塑性变形增大，脆性破坏转变为塑性
变形或塑性破坏。
一般认为岩石的总变形量达到3~5%，就开始
具有塑性性质，或已实现了从脆性到塑性的转变。
岩性不同，岩石从脆性转变为塑性的围压也不同。
பைடு நூலகம்
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地层岩性
表4-7 岩石的围压下的塑性变形 岩石 在下列围压下破坏的变形量% 围压100兆帕 围压200兆帕 OIL CREEK 石英砂岩 2.9 3.8 HASMARK 白云岩 7.3 13.0 BLAIN 硬石膏 7.0 22.3 YULE 大理岩 22.0 28.8 BARUS 砂岩 25.8 25.9 MARIANNA 石灰岩 29.1 27.2 MUDDY 页岩 15.0 25.0 岩盐 28.8 27.5
究工作主要是认识，适应。
•充分了解和掌握岩石的基本物理机械性质、基本破
碎规律；
要达到这个目的：
•准确预报、预测钻遇地层的岩石类型—“对症下药”。
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钻进过程的系统分析
2、钻井液性能 钻井液性能是影响系统目标的重要可调变量。 对钻速影响较大的钻井液性能主要是： （1）密度； （2）固相含量； （3）粘度； （4）失水； （5）含油量。
以上讨论的岩石性质，主要是从力学角度建立的概念。下 面介绍与钻头破碎的关的岩石机械性质。
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地层岩性
三、岩石的硬度和塑性系数
硬度：一种物体抵抗另一种物体侵入的能力。
塑性系数K：岩石破碎前耗费的总功AF与弹性变形功AE 的比值。
硬度PY用下式计算：
Py P / S
式中 P——产生脆性破碎时压模上的载荷， 牛顿； S——压模的底面积，毫米2。
钻井过程：
是一个多维的、复杂的大系统 存在着一定的不确定性——随机性和模糊性。 大系统与高精度不相容
解决的办法：将大系统分解成若干相对独立的小系统， 把 交互作用作为各个相对独立系统的约束条件， 通过实
现小系统的优化处理来接近大系统的优化目标。
第二节 地层岩性
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钻进工艺
研究岩石在各种应力状态下的力学性质和破碎特 点
输 入
输 出
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钻进过程的系统分析
黑化：不管黑箱的内部结构如何，只研究它的行为规律。所 谓行为，就是指黑箱对于一定的输入状态，唯一地对应着一定 的输出状态。通过对黑箱行为的一定量的观察（必要的情况下 也可以设定一些主动实验），我们就可以找到黑箱行为的规律， 这就是控制论中所谓的“黑箱理论”。
P s A
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地层岩性
（4）抗弯强度 在弯曲力矩作用下岩石发
生破坏时的应力。可用简支梁
法测定，将长方条形岩样下方 支在两支点上，在上方位于两 下支点中央处通过支点向下加 压力。岩样受弯曲力矩。当岩
样被压到折断时的应力即岩石
的抗弯强度。
P w A
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地层岩性
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钻进过程的系统分析
3、钻头类型
钻头类型对钻进过程系统目标有重大影响。
•不同的钻头类型，由于结构不同、破岩机理各 异，因而有各自的适用范围。 •在相同类的钻头中，由于品种和系列不同，钻
进效果也有很大的差异。
方法：合理的钻头选型。
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4、水力参数 水力参数： 泵压、排量、喷嘴直径等与钻井
式中——泊松比（纵向应变与横向应变比值）。
如式中xy，便是各向异性的。
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地层岩性
上述概念，也适用于岩石，但有不同。
2 、岩石的弹性模量与泊松 比 岩石不是理想材料，弹性 模量也不是固定的数值。 但组成岩石的矿物，在单 独存在时一般都服从虎克 定律。 岩石的弹性模量与应变种 类和加载大小有很大的关 系。 载荷小时：各种应变的 E差别不大
∥ 0.10~0.45 0.12 0.10~0.22 0.15~0.50
⊥ 0.12~0.36 0.10~0.22 0.15~0.36 0.28~0.47
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地层岩性
二、岩石的强度
1、强度的概念 物体受外力作用而达到 破坏时的应力 ，称为物 体的强度。通常用四种强度描述岩石的强度性质。
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地层岩性
作用在压模上的载荷与压入深度关系曲线见图 4-4。
Py P D / S
K AODE / AODE
Py P B / S
K AOABC / AODE
不计算，以屈服点P0代替
取为无穷大
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地层岩性
脆性岩石塑性系数K＝1 塑脆性岩石塑性系数K＝1～6 塑性岩石塑性系数K＝6～ ∞
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第一节
钻进过程的系统分析
钻进过程系统目标中安全与成功：
其因素是比较复杂的，难以量化，不易建
立系统目标函数。
方法：把容易量化的效益指标作为系统目
标，把安全与成功作为系统约束条件，建立 系统目标函数。
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第一节
钻进过程的系统分析
按照系统论的
观点与方法，
钻进过程总是 在自觉与不自 觉中追求系统 目标的实现。
2、岩石的四种强度
如以抗压强度c为1，则其余应变形式的强度与抗压 强度的粗略关系如表4-5所列。
岩石 花岗石 砂岩 石灰岩 表4-5 岩石各种强度间的比例关系 抗压强度 抗拉强度 抗剪强度 1 0.02~0.04 0.09 1 0.02~0.05 0.10~0.12 1 0.04~0.10 0.15 抗弯强度 0.03 0.06~0.20 0.06~0.10
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钻进过程的系统分析
一、系统特征
系统目标:安全、成功、效益。
•安全：人身安全、设备安全、井眼安全。如果安全
得不到保证，出了事故，所造成的损失往往是非常 严重的。 成功：井身质量好、固井质量高、录井资料齐全、 油气层得到保护等。 效益指标：钻井速度、建井周期、成本等。实践证 明：不安全、不成功的井，其经济效益指标肯定是 很差的。
一、岩石的物理机械性质 1、弹性、塑性、弹性模量与泊松比的概念
当除去外力，物体能回复原状的特性，称为弹性。 当除去外力，物体不能恢复原状的特性，称为塑性。 弹性体在外力的作用下，其应力与应变的关系服从虎克定律，即
E
式中——物体的应力，为单位面积上的内力，兆帕； ——单位长度的变形，无量纲； E——弹性模量，也叫弹性系数或杨氏系数，量纲与应力同。
岩石的单轴抗拉强度
也可用与金属拉伸试验相
同的方法测定。岩样拉断
时的应力即为岩石的抗拉
强度，单位兆帕。这种求 岩石抗拉强度的方法较为 直观。
P t A
第二节
地层岩性
（3）抗剪强度 在剪切力的作用下岩石破坏时 的应力。较为直观的测定方法是 将方块长条岩样固定在支架上， 支架在岩样下方形成一个支点， 与岩样上方的切刀合在一起构成 一对剪切力，当剪切力足够大时， 岩样被剪断。此时岩样单位面积 上的剪应力即岩石的抗剪强度。
外力使弹性体变形 ，内力抵抗变形
弹性模量代表了物体对弹性变形的抵抗能力。
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第二节
地层岩性
当弹性体在纵向受外力后，引起纵向的应力z，并在纵 向产生变形，以应变z表示之。与此同时，在横向也会引起 应变，以x、y表示之。如果材料是各向同性的，便有以下
关系式：
x / z y / z
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第一节
钻进过程的系统分析
三、研究方法
未知的钻进规律 —“黑箱子”。不知其内部结构，但这个黑箱子本身 的行为是有规律的。 研究黑箱子的行为规律的三种方法：
白化：打开黑箱子，研究其内部结构。这就相当于从力学、物理、化学 的角度出发，从微观上研究事物的本质。待黑箱的内部结构都清楚了，黑 箱的行为也就可以推断出来了。
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第一节 钻进过程的系统分析
一、系统特征
钻进过程是由多个子系统综合运行作业而汇集 的复杂系统，“五多一长”： 多工序的作业环节； 各系统的运行状态和相互 多工种的操作配合； 的配合情况直接影响钻进 多专业的协调管理； 过程 多因素的环境影响； 多渠道的横向调节； 长战线的后勤保障规模。
第三章
钻进工艺
第三章
钻进工艺:
钻进工艺
在分析和处理钻井数据和资料的基础上，来认识钻井过
程的客观规律。
立足于现有装备条件，采用各种数学、物理方法科学化
钻井（确定合理的钻井参数及制定相应的钻井措施），使 钻进过程的整体经济效果达到最优的工艺技术－多、快、 好、省）。
内容：系统分析、岩性、钻头、水力参数、机械参数、 钻具、钻井技术经济指示。
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地层岩性
表4-8 岩石硬度分类表
类别 软 中 硬 级别 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 硬度 N/mm2 <98 --245 --490 --980 --1470 --1960 --2940 --3920 --4900 --5880 --6860 >6860
一般来说 抗压强度 >抗剪强度>抗弯强度> 抗拉强度
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地层岩性
3、在复杂应力条件下岩石强度的特点
岩石在地层深处处于各方受压的状态，通过模 拟这种压力条件的三轴试验，可以了解到岩石在 压力条件下的强度特点。
（a）常规三轴实验 （c）液压作用下的压扭
（b）三面压缩（三液缸、真三维） （d）液压作用下两面柱塞压缩
单轴抗压强度 抗拉强度 抗剪强度
抗弯强度
P 压力 （1）单轴抗压强度 简称抗压强度。通常在
常温常压下用抗压强度试验
机测定，取压坏岩样时的外 力除以岩样横截面积，即得 岩样的单轴抗压强度。单位 为兆帕。
钢垫板
岩石
球座
P c A
P 压力
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地层岩性
巴西试验
（2）抗拉强度